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刘家峡水电厂推力轴承改造的技术研究与实践
苟小军付廷勤张建伟高云涛
( 刘家峡水电厂, 甘肃永靖, 731600)
摘要: 刘家峡水电厂4号机组已经运行36年, 增容改造后推力轴承荷载超出设计值, 过载和长期运行导致机组推力轴承运行出现隐患。对此, 刘电进行了4号机组推力轴承的改造更换。改造后的机组试验和运行数据显示推力轴承改造效果良好。实践证明, 对大型水轮发电机组推力轴承进行技术改造完全可行, 改造对提高推力轴承本身和机组的运行可靠性、 稳定性具有良好效果。
关键词: 水轮发电机组; 推力轴承; 改造; 技术研究; 实践; 刘家峡水电厂
1概述
刘家峡水电厂4号机组1974年投入运行, 1998年增容改造后, 推力轴承荷载超出设计值, 造成巴氏合金推力瓦最高运行温度67℃接近上限报警温度75℃, 严重影响到推力轴承的安全稳定运行。另外, 经多年运行和检修, 镜板表面淬火层失效(失效是我们想象的, 应该是不可能失效的, 只是被磨损, 找不到好的词, 是不是磨损更贴切? 物理法　包括表面淬火和激光表面处理。表面淬火是利用钢的淬硬性, 用高频感应电流或激光束将零件表层金属加热到高温, 随后冷却使表面硬化。利用激光束也能够使表面极薄的一层金属熔化, 表层下的冷基体使表层熔化的金属以极高的速度冷却, 形成超威晶粒或非晶结构, 从而提高材料对磨损、 腐蚀和疲劳的抗力。大电机技术的人很专业, 我们不必要说, 或是定性; 或者说抗磨性、 耐腐蚀性下降, 点状缺陷就是淬火层剥落) , 镜面出现麻点和亮带, 光洁度超出国标要求; 推力头与大轴配合面在检修中采用热套冷拔工艺, 由于配合面毛刺、 受力不垂直的原因, 多次造成推力头与大轴配合面拉伤, 处理过程采用砂轮、 细砂纸、 油石修复配合面的工艺, 逐渐引起配合面接触面积变小, 配合由过渡配合向间隙配合过渡的状况, 已危及到机组的安全运行; 弹性油箱经多年运行已呈现出疲劳趋向( 趋势) 。为确保4号机组的安全稳定运行, 在4号机增容改造后, 刘电对推力轴承针对性( 提高承载能力方面的改造) 的进行了改造, 如增大推力瓦偏心距, 更换推力冷却器以改进推力冷却效果。尽管如此, 无法从根本上解决改造后机组轴向水推力增大、 推力荷载超过推力轴承承载上限等问题。
为了彻底消除缺陷, 提高4号机组推力轴承运行的可靠性、 稳定性。( 能够删除吗? ) 刘家峡水电厂联合哈尔滨电机厂有限责任公司对4号机组推力轴承部分部件进行改造。改造后机组运行稳定可靠, 各部监测数据完全符合水轮发电机组安装技术规范( GB/T8564— ) 要求。( 和5.9条合并)
2推力轴承结构
刘电4号机水轮机结构为立轴混流式( HL430a-LJ-550) , 由哈尔滨电机厂制造; 发电机结构为二导悬吊式( TS255/12640-48) , 由哈尔滨电机厂制造, 机组额定功率255MW, 额定转速125r/min, 额定流量290m3/s, 转动部件总重量920吨, 有上导和水导轴承。其中巴氏合金上导瓦12块( 单边瓦隙0.15mm) , 为扇形瓦自调式结构; 水导瓦为四瓣组合式筒形瓦( 单边瓦隙0.3mm) 。各部轴承间隙与其轴颈直径成正比。推力轴承为弹性油箱结构, 有12块巴氏合金推力瓦, 具体结构如图1所示。推力轴承技术参数见表1。
表1刘家峡水电厂4号水轮发电机组推力轴承主要技术参数

推力轴承支撑型式
四波纹液压支柱式弹簧油箱
推力轴承冷却方式
内循环
设计轴向水推力
800T
推力轴承设计最大负荷
1600吨
推力轴承实际最大负荷
1220吨
推力头外径
2660mm
镜板外径/厚度
2750mm/190mm
推力头内径
1045mm
支柱螺栓
M100×3
支柱螺栓分布圆直径
2150mm
投产日期
1970年7月25日
改造完成日期
1998年12月21日

图1:刘家峡水电厂4号水轮发电机组推力轴承装配结构
3原推力轴承存在的主要问题
3.1弹簧油箱显现疲劳趋势。从表2: 4号机组历次扩修受力调整测量记录能够看出弹簧油箱在投运后的6次扩修中压缩量由0.58mm增长至0.95mm, 特别是增容改造后运行的6年时间里压缩量由0.80mm增长至0.95mm。分析认为弹簧油箱压缩变形量已经接近达到设计标准( 1.2mm) , 承载能力不够, ( 疲劳趋势的产生使其) 在运行中弹簧油箱的焊接结合部位有漏油可能。
表2: 4号机组历次扩修受力调整测量记录( 弹簧油箱压缩过程) 单位( mm)

1
序号
瓦号

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
时间
均值
1
0.57
0.57
0.64
0.56
0.60
0.54
0.62
0.66
0.59
0.52
0.50
0.56
1980年
0.58
2
0.61
0.60
0.62
0.56
0.58
0.55
0.66
0.68
0.58
0.52
0.51
0.55
1983年
0.59
3
0.57
0.58
0.63
0.66
0.62
0.61
0.58
0.69
0.59
0.54
0.53
0.53
1989年
0.59
4
0.74
0.75
0.72
0.74
0.68
0.62
0.68
0.69
0.76
0.59
0.63
0.63
1995年
0.69
5
0.77
0.74
0.75
0.82
0.75
0.77
0.80
0.76
0.81
0.83
0.91
0.85
1998年
0.80
6
0.99
1.00
0.97
0.99
0.93
0.99
0.89
0.92
0.98
0.92
0.82
0.99

0.95
3.2推力瓦运行温度高, 承载能力不足。4号机组增容改造后机组转动部件重量增加75吨, 轴向水推力增加125吨, 推力轴承总负荷增大200吨, 现场测量上机架挠度, 计算推力轴承实际总负荷1700吨, 超过推力轴承的实际承载上限, 这导致推力瓦温过高。虽然采取了增大推力瓦偏心距, 更换推力冷却器( 采用的多层翘片式冷却器增加热交换量) 改进推力冷却效果等措施, 但没有从根本上解决推力瓦温度高的现象。在3号机组实际运行中发现运行5年后巴氏合金推力瓦面出现烧研裂痕。因此在实际运行中4号机组推力瓦存在烧研可能。
3.3镜板表面淬火层失效, 镜面出现麻点和亮带, 光洁度超出国标( 小于0.8μm) 要求。刘电镜板从投运起每次扩修进行抛光处理。具体的采用氧化铬和金刚砂的磨料, 粒度为W3型研磨膏, 按1: 2的重量比用煤油稀释后, 用细绸过滤采用专用研磨机研磨48小时, 最后用纯猪油和透平油提高镜面光亮度。( 抛光处理工艺仿佛不提为好) 扩修研磨过程中镜面出现普遍麻点, 经专家现场共同确认分析, 认为这是由于镜板表面淬火层长期研磨失效所致, 后改用透平油进行抛光, 镜面光亮度有所提高, 麻点更细、 更浅, 但没能最终消除。镜板面硬度的降低和光洁度的下降, 增加了机组在运行中推力瓦烧损的可能。
3.4推力头拉伤较多, 接触面积减小, 与大轴配合存在间隙。4号机组在投运的36年时间里进行了6次扩大性大修, 扩修中推力头采用热套冷拔工艺, 每次扩修不同程度的出现推力头与大轴的接触面拉伤现象, 处理阶段采用砂轮机打磨拉伤区, 然后用细砂纸、 天然油石除去研伤沟槽的高点和毛刺。经测量统计配合面累计减少达25%。从 1F机组推力头配合间隙的测量值能够看出, 对研伤区域的修复工作使得推力头和大轴的配合面间隙增大至0.08mm( 推力头与大轴的设计配合为过渡配合-0.04mm～0.02mm) 。推力头与大轴接触面积的减小和配合间隙的增大, 对推力轴承乃至机组的安全运行构成一定威胁。
4推力轴承改造的技术研究
综合推力轴承存在的主要问题, 结合刘电在西北电网承担着调峰调频的重要任务, 而且对下游防洪、 灌溉发挥着举足轻重的作用, 因此改造必须保证质量和工期。对此, 刘电决定推力轴承改造总体结构不变, 改造内容为: 更换卡环、 推力头、 镜板、 瓦托、 弹簧油箱支架、 弹簧油箱底盘、 巴氏合金推力瓦更换为弹性金属塑料瓦。
4.1总体技术研究
( 1) 4号机推力轴承改造是在保留原推力轴承油槽、 冷却器的基础上, 按原结构、 尺寸对镜板、 推力头、 推力瓦、 弹性油箱、 支柱螺栓、 卡环、 瓦托等部件进行更换。零部件加工及材质要求不能低于原制造图纸技术要求; 标准件应符合现行国标要求。
( 2) 推力头与卡环几何装配尺寸应满足发电机大轴装配要求。推力头与镜板同钻铰并可靠定位把合。卡环、 镜板几何尺寸不变, 推力头内孔加工尺寸满足与大轴过渡配合-0.04mm—0.02mm。
( 3) 弹簧油箱底盘应可靠承载1800吨。几何尺寸不变, 弹簧油箱底盘与上机架基础定位现场调整弹簧油箱中心后钻铰。
( 4) 瓦托、 弹簧油箱支架加工制造技术要求与几何尺寸符合原图纸。弹簧油箱支架与弹簧油箱底盘加工厂定位钻铰把合。
4.2巴氏合金推力瓦更换为弹性金属塑料瓦的技术研究
( 1) 巴氏合金推力瓦更换为弹性金属塑料瓦是可行的。
八十年代后期, 弹性金属塑料瓦先后成功应用在岩滩水电站( 推力负荷2750吨) , 白山水电站( 推力负荷1800吨) , 五强溪水电站( 推力负荷2700吨) 和天生桥水电站( 推力负荷1240吨) , 这些电站的机组型式, 负荷情况和刘电比较相似。
1997年, 哈尔滨大电机研究所3000吨推力轴承试验台成功研制三峡6000吨级弹性金属塑料瓦推力轴承, 并完成了全尺寸模拟试验, 试验非常成功, 取得了大量可靠的数据。实测推力瓦面温度32～73℃, 推力瓦体温度32～46℃。最高瓦面温度与推力瓦体温度相差27K。复合层的隔热作用使得托瓦温度均匀, 热变形很小, 克服了普通双层巴氏合金瓦推力轴承瓦面变形不易调整的问题。
理论研究显示推力瓦承载能力与使用寿命最终体现在瓦面( 及镜板面) 变形对动油膜的影响程度。油膜形状要符合流体动压润滑要求, 就需要适宜的瓦面变形。镜板在力载荷作用下, 周向变形的高点处在瓦上, 低点在瓦间, 径向变形在外径侧上翘; 镜板在温度载荷作用下, 周向由于恒温而不产生变形, 径向变形为下凸, 镜板面的综合变形为径向下凸, 外径侧上翘, 沿周向为波浪形。塑料瓦的凹变形较大, 这是由于其复合层的压缩模量较小所致, 瓦托温度均匀, 瓦的热变形的影响降低, 而塑料瓦面的进、 出油边均有楔形坡口, 有利于启动时进油和调整瓦面形状。油膜上产生的压力与推力瓦支承产生的力矩为了达到平衡, 推力瓦自动倾斜, 这使得镜板面的径向倾斜基本能够和瓦面的径向倾斜相适应。另外, 塑料瓦复合层的影响, 使瓦面产生凹变形, 这种凹变形能够部分抵消瓦体的凸变形, 还对应镜板面的径向凸变形, 这是弹性金属塑料瓦承载能力大的主要因素。
综合实践应用、 试验数据和理论依据能够相信巴氏合金推力瓦更换为弹性金属塑料瓦在刘电的应用一定能够成功。
( 2) 刘电结合推力轴承装配空间, 增大了弹性金属塑料瓦的面积和偏心距, 巴氏合金推力瓦与弹性金属塑料瓦的技术参数对比详见表3: 刘电4号机组巴氏合金推力瓦与弹性金属塑料瓦的技术参数比较。
表3: 刘电4号机组巴氏合金推力瓦与弹性金属塑料瓦的技术参数比较
技术参数
巴氏合金瓦
弹性金属塑料瓦
技术参数
巴氏合金瓦
弹性金属塑料瓦
转速n
125r/min
125r/min
瓦包角α　　
22°
22．9°
总推力P
1601T
1601T
外直径D0
275cm
275cm
瓦块数K
12
12
内直径Di
145cm
145cm
瓦宽B
65cm
65cm
比压p
50.9Kg/cm2
48.9Kg/cm2
瓦长L
40.3cm
42cm
长宽比
0.62
0.646
瓦面积S
2621cm2
2728cm2
线速度v
13.7m/s
13.7m/s
油膜厚h
0.051mm
0.053mm
温升△T
31.9℃
31.2℃
总损耗H
203KW
207KW
偏心率
5.46%
7.14%
偏心距
22mm
30mm
进油温度
35℃
35℃
从表3中我们能够看出: 塑料瓦瓦面面积增大了4.08％, 计107cm2; 偏心率增加了1.68％, 偏心距增加8mm; 长宽比增加了2.6％; 比压由5.09MPa降低为4.89MPa, 完全符合《水轮发电机推力轴承弹性金属塑料瓦技术条件》规定的比压不大于7Mpa, 线速度不大于40m/s的要求值。
5推力轴承改造工艺
5.1机组扩修分解阶段测量卡环厚度、 推力头高度、 镜板高程, 与推力头配合的大轴精确外径尺寸, 弹簧油箱与挡油桶的偏心值。
5.2推力轴承部件到货后清扫并宏观检查缺陷情况, 仔细校验各部尺寸。
5.3安装弹簧油箱底盘、 弹簧油箱支架并调整其与挡油桶的偏心值在0.05mm以内, 然后固定并钻铰与上机架基础的定位销钉孔, 进行精确定位。
5.4弹性金属塑料瓦的表面宏观检查, 并进行绝缘测试, 合格后与瓦托进行现场研磨, 保证接触面不小于75%。
5.5对推力瓦的偏心距限位块和限位螺栓进行调整。
5.6上机架安装后调整镜板高程与分解阶段测量值在±0.05mm以内, 水平不大于0.02mm/m。
5.7套装推力头, 安装卡环, 转移机组受力, 机组定中心, 安装水导轴承后受力调整, 使得12个弹簧油箱变形量在0.20mm以内。受力调整显示12个弹簧油箱压缩变形平均值为0.74mm, 以此判断哈电供货的弹簧油箱质量完好。
5.8轴线检查调整后, 定瓦隙, 机组全面安装。
5.9机组启动试验。刘电4号机扩修后满负荷时上导、 水导运行摆度分别为0.08mm、 0.15mm, 弹性金属塑料瓦温度在20.5℃～21℃之间, 推力热油平均温度20℃, 最高20.1℃; 远小于《水轮发电机推力轴承弹性金属塑料瓦技术条件》规定的塑料瓦瓦温60℃报警, 65℃停机; 油温50℃报警, 55℃停机标准。
6结语
a.对大型水轮发电机组推力轴承进行技术改造完全可行, 改造对提高推力轴承本身和机组的运行可靠性、 稳定性具有良好效果。
b.应用弹性金属塑料瓦更换巴氏合金推力瓦解决了机组改造后推力瓦承载能力不足、 瓦温过高的问题。
参考文献:
[1]哈尔滨大电机研究所.刘家峡水电厂4号机塑料瓦推力轴承可靠性分析
[2]武中德张宏梁广泰吴军令张仁江.三峡水轮发电机推力轴承[J].中国三峡建设, , (9): 30-32